傳感新品

【東華大學等五校合作：研發用于可穿戴健康監測的電化學傳感纖維】

一、研究背景

自1962年Clark和Lyons提出生物傳感器的概念以來，其由于具有生物識別過程的高度特異性，在過去幾十年中得到了廣泛關注與開發，最成功的例子之一就是血糖儀。近年來，可穿戴設備取得巨大的商業進步，根據Grand View Research的市場報告，2016年全球可穿戴設備市場約為1.5億美元，預計2025年將達到28.6億美元，新增市場規模的很大一部分將由可穿戴電化學傳感器組成。電化學傳感器可以實現實時監測人體體液中生物分子的動態波動，為原位體液測量和實時數據反饋搭建橋梁，具有極高的臨床應用價值。但受限于穩定性和復雜性等問題，可穿戴電化學傳感器的商業化尚不成熟。

可穿戴電化學傳感器從最初的臺式設備逐漸演變而來，研究人員將傳感電極與柔性基底相結合，優化了設備形態與體積，使器件能夠貼合人體，從而便捷地進行實時健康監測。在可穿戴器件中，纖維電子器件展現出巨大的應用潛力，其具有優異的穿戴性能，如透氣性、舒適性和拉伸性，有可能在日常生活中長時間持續使用。將電化學傳感技術與纖維電子結合，通過日常穿戴為人們提供健康狀況的實時監測，代表了可穿戴健康監測的前沿發展方向。

圖1 綜述的總體框架。電化學傳感原理和方法：伏安法、電位法和阻抗法；纖維制造策略：電極材料和制造方法；纖維集成：功能化和性能描述；應用和挑戰：智能服裝系統和個性化醫療

該綜述以問題為導向，首先介紹了基于纖維和織物的可穿戴傳感技術新平臺，進而討論了電化學傳感纖維的原理和優勢；強調了電化學傳感纖維在智能服裝設計與應用中的重要性，重點介紹了解決電化學傳感纖維關鍵問題的策略如材料選擇和結構設計；最后概述了基于電化學傳感纖維的智能服裝系統及其在醫療健康中的前沿應用（圖1）。

二、文章內容

綜述首先介紹了可穿戴傳感技術的新時代：基于纖維和織物的電化學傳感器，總結了電化學傳感纖維相對于其他可穿戴電極材料的獨特之處(圖2)，如成本低、靈活性高、舒適性好等。概述了電化學傳感纖維存在的關鍵挑戰，如：動態電化學穩定性、機械耐久性、可洗滌性、透氣透濕性、柔軟性等，并討論了應對上述挑戰的策略。

圖2 電化學傳感纖維的獨特性能

該綜述闡明了電解池、微芯片和纖維電子學在電化學原理和方法上的異同（圖3）。傳統的電化學傳感器依賴于恒電位儀以及具有電極和電解質的電解池。隨著柔性電子技術的進步，電化學傳感器正逐步向小型化、高密度、高集成化方向發展。微芯片技術通常利用光刻噴涂等工藝在芯片上產生各種微電極，并利用DNA、蛋白質和其他生物分子進行修飾，形成具有生物分子識別功能的傳感器。隨著新型電化學傳感技術的發展，傳感器件不再局限于剛性電極，纖維電極因為具有高柔性、高拉伸性等優點受到關注。如絲綢、棉線等天然纖維，可以涂上導電材料，賦予其電極的特性。

然后用傳感元件對纖維表面進行功能化，以進行電化學傳感并檢測特定物質。常見電化學傳感器的工作原理根據所使用的電化學技術進行分類，包括（1）記錄三電極電路中電流的安培法/伏安法；（2）電位法，其記錄雙電極系統的工作電極的平衡電勢；以及（3）阻抗測量，其監測由分析物引起的電阻抗信號。但在纖維器件中仍存在部分挑戰：比如，為了在纖維電極上實現離子的實時傳感，合理設計微流體通道以允許新分泌的生物流體流過傳感器是至關重要的，否則纖維只感應到累積水平的離子會出現不準確的讀數；同時需要考慮纖維在穿著過程中的變形引起的固有阻抗變化等。

圖3 a）電化學傳感器發展的三種基本形式 b）電化學傳感器工作原理：基于酶電極的電流測量法，包括電流-時間（i–t）曲線；基于蛋白質和其他物質分析的伏安法，包括電流-電勢（i-E）曲線；基于離子選擇電極的電位測定法，包括電位的測定；阻抗測量法，用于記錄電極表面電特性的變化

理想的電化學傳感纖維應具有以下組成和結構特征：

（1）盡可能多的活性位點以實現高的本征活性；

（2）高導電性以確保穩定的性能，因為纖維電極本身的總電荷轉移路徑比薄膜電極的總電荷傳輸路徑長；

（3）高比表面積；

（4）足夠的柔性和機械強度，以應對使用過程中的彎曲和拉伸；

（5）合理的結構，有利于反應物材料的電荷轉移和擴散。該綜述概述了纖維基底和生物活性材料，包括類別、制造、表面改性和纖維器件集成（圖4）。重點闡述了從實驗室制備到工廠生產、商業化的策略，從而有望實現電化學傳感纖維的連續和大規模制造。

圖4 電化學傳感纖維的材料、結構和制造方法

纖維重量輕，柔韌性好，易于功能化，可進行多種集成，如一維紗線、二維織物和三維編織結構。該綜述將纖維電子功能集成到紡織品中的方法分為兩類（圖5）：（1）通過各種編織方法（針織、編織、刺繡）將纖維器件嵌入絕緣織物中；（2）直接使用合適的技術對織物進行功能化，包括絲網印刷、浸涂、靜電紡絲等。

圖5 將纖維整合到織物中的各種方法

隨著材料科學、電子電路和集成技術的快速發展，基于可穿戴電化學傳感纖維的智能服裝系統已經在實驗室中實現了較好的效果演示。智能服裝系統通常由傳統服裝、纖維傳感器、電源、信號采集以及傳輸、接收組件組成，從而以便攜的方式實時監測人體健康狀況。這里總結了解決纖維電化學傳感器局限性的策略，除了提高電化學傳感纖維和織物的性能指標外，拓展新領域以增強實用性也及有必要。作為進一步的展望，重點介紹了采用智能服裝和電化學傳感技術的個性化醫療新概念（圖6）。

圖6 電化學傳感纖維的未來趨勢

傳感動態

【索尼圖像傳感器業務押注中國市場，工廠擴產以提升產能】

12 月 25 日消息，據日經新聞報道，日本科技巨頭索尼集團正計劃通過大力拓展中國智能手機廠商市場，重振其圖像傳感器的盈利能力。

周五，索尼集團在生產圖像傳感器的長崎科技中心舉行了擴建工程的竣工儀式，索尼集團總裁十時裕樹表示：“圖像傳感器是電子世界的‘眼睛’，我們將把它送到全球客戶手中。”該公司位于長崎的工廠是其圖像傳感器的主要生產基地，此次擴建使潔凈室面積增加了 60%。此外，索尼還計劃在熊本縣新建一座圖像傳感器工廠。

索尼預計，截至明年 3 月的財年，其合并凈利潤將下降 13% 至 8800 億日元（IT之家備注：當前約 441.76 億元人民幣），半導體部門的營業利潤也將下滑 8% 至 1950 億日元。2019 財年，半導體部門的營業利潤率曾達到 22%，位居索尼六大業務板塊之首，而本財年這一指標預計僅為 12.3%。

索尼半導體部門盈利能力下降的一個重要原因是，索尼對華為的圖像傳感器供應大幅減少。華為曾是全球銷量第一的智能手機制造商，也是索尼的重要客戶，但受中美貿易摩擦影響，其手機銷量大幅下滑，波及到索尼圖像傳感器業務。

與此同時，索尼另一大客戶蘋果的訂單量保持強勁，這也使得索尼向其他客戶大幅增加銷售變得更加困難。

因此，索尼擴大了長崎工廠的產能，瞄準長期加大對中國智能手機制造商的銷售，小米和 OPPO 是索尼瞄準的兩大目標。

索尼還于去年推出了專門針對中國市場的“Lytia”品牌圖像傳感器，并指定長崎工廠為供應中心?！八髂嵴谝灾鲾z像頭為重點，以利潤為優先，大力促進銷售，”瑞穗證券的分析師中根康介表示。

此外，索尼還在積極提高生產效率，今年春季從其他工廠調派工程師到長崎，協助解決今年在長崎開始量產的新型圖像傳感器的良品率。該傳感器可以提高夜間拍攝的圖像質量，但大規模生產一直存在問題。

隨著智能手機市場日趨成熟，索尼也開始將目光投向物流領域，作為新的收入來源。上個月，該公司推出了一項利用人工智能圖像傳感器提升倉庫效率的服務，可自動追蹤卡車進出貨時間，分析裝卸貨效率。隨著日本明年實施更嚴格的卡車司機加班限制，預計這類服務將迎來更大需求。

【公司技術源于兩彈研制基地，東方之光獲柯力傳感戰略投資】

12月21日，柯力傳感與寧波東方之光安全技術有限公司簽署投資協議，雙方達成戰略合作。東方之光成為柯力傳感控股子公司，也將成為柯力傳感多物理量傳感器協同發展版圖中的重要一員。

寧波東方之光安全技術有限公司成立于2013年，原址位于中國工程物理研究院寧波科技園。公司技術源于兩彈研制基地——中國工程物理研究院，是寧波市“3315計劃”重點引進項目，自成立以來得到寧波市政府的大力支持。東方之光以光子計數探測、光電溫度傳感為技術基礎，專注于高危環境溫度測試系統的研發及推廣，目前已成為國內領先的光纖溫度傳感解決方案供應商。公司擁有強大的技術團隊，自主研發分布式光纖測溫系統、光纖光柵測溫系統、無線測溫系統，擁有自主開發的軟件系統，為用戶產品的升級提供有力保障。產品廣泛應用于新能源、航空、船舶、交通、電力、冶金、石油石化、城市管廊等領域。

基于多年研發積累及技術升級，東方之光主要產品—分布式光纖溫度傳感系統，在產品性能領先的情況下，成本已降至行業最低水平，且該系統經多方驗證，具有防燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓、抗電磁輻射、測量范圍廣、定位精度高、使用方便等優點。公司在傳統行業業務基礎上，也緊抓市場需求，目前已成功進入寧德時代（300750）、先導智能（300450）、利元亨、杭可科技等新能源及智能裝備上市公司供應鏈。

柯力傳感此次戰略控股東方之光，既豐富了柯力傳感的多傳感產品布局，亦有望結合東方之光技術平臺在力學、光學等領域作出更大科技成果轉化，如瞬態光學測溫系統，瞬態高溫成像系統等。本次投資完成后，雙方將在研發、市場、供應鏈、制造、管理等方面進行更深度的融合。

【比亞迪入股深迪半導體，后者為陀螺儀芯片研發商】

天眼查App顯示，近日，深迪半導體（紹興）有限公司發生工商變更，股東新增深圳市創啟開盈創業投資合伙企業（有限合伙）、比亞迪、紹興市柯橋區智城數智五號創業投資合伙企業（有限合伙）等，同時公司注冊資本由約1707.24萬美元增至約1825.83萬美元。

深迪半導體（紹興）有限公司成立于2008年8月，法定代表人、董事長為BO ZOU，經營范圍含新型電子元器件、微機械電子傳感器的研究、開發、設計，系統集成的設計、調試、維護等。公開信息顯示，深迪半導體是商用MEMS陀螺儀系列慣性傳感器芯片提供商。

【視覺傳感器的工作原理】

光電傳感器包含一個光傳感元件，而視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數以千計的。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數量表示。Banner 工程公司提供的部分視覺傳感器能夠捕獲 130 萬像素。因此，無論距離目標數米或數厘米遠，傳感器都能“看到”十分細膩的目標圖像。

在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在 360 度范圍內旋轉，視覺傳感器都能做出判斷。

視覺源于生物界獲取外部環境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的，基于這一啟發研究人員開始為機械安裝“眼睛”使得機器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息，由此誕生了一門新興學科——計算機視覺，人們通過對生物視覺系統的研究從而模仿制作機器視覺系統，盡管與人類視覺系統相差很大，但是這對傳感器技術而言是突破性的進步。視覺傳感器技術的實質就是圖像處理技術，通過截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現在研究人員的面前。

視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數量表示。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在 360 度范圍內旋轉，視覺傳感器都能做出判斷視覺傳感技術的出現解決了其他傳感器因場地大小限制或檢測設備龐大而無法操作的問題，由此廣受工業制造界的歡迎。

視覺傳感技術包括3D視覺傳感技術，3D視覺傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機、網絡攝像、數碼相機、機器人視覺導航、汽車安全系統、生物醫學像素分析、人機界面、虛擬現實、監控、工業檢測、無線遠距離傳感、顯微鏡技術、天文觀察、海洋自主導航、科學儀器等等。這些不同的應用均是基于3D視覺圖像傳感器技術。特別是3D影像技術在工業控制、汽車自主導航中具有急迫的應用。

智能視覺傳感技術也是一種視覺傳感技術，智能視覺傳感技術下的智能視覺傳感器也稱智能相機，是近年來機器視覺領域發展最快的一項新技術。智能相機是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統，是一種嵌入式計算機視覺系統。它將圖像傳感器、數字處理器、通訊模塊和其他外設集成到一個單一的相機內，由于這種一體化的設計，可降低系統的復雜度，并提高可靠性。同時系統尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術的應用領域。

智能視覺傳感器的易學、易用、易維護、安裝方便，可在短期內構建起可靠而有效的視覺檢測系統等優點使得這項技術得到飛速的發展。視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機、光學系統、照明系統和圖像采集卡組成，將光學影像轉換成數字圖像，傳遞給圖像處理單元。

審核編輯 黃宇